cand. Ing. Andreas Homuth

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1 Presentation Title (not the current page title) Diplomarbeit Aufbau eines ADSADS-Simulationsmodells für die externen Hochfrequenzpfade eines WiMAX Transceiversystems cand. Ing. Andreas Homuth

2 ATMEL Duisburg vom bis war ATMEL in Duisburg vertreten 22 Ingenieure und 3 Studenten Entwicklung und Evaluierung von HF-Bausteinen, im Bereich von 2 GHz bis 5 GHz Schwerpunkt: Wireless LAN (IEEE ) WiMAX (IEEE ) May 08 2

3 der WTC (WiMAX Transceiver) WiMAX Transceiver für 2,3 GHz - 2,7 GHz AT86RF525B 3,4 GHz - 3,8 GHz AT86RF535B Hergestellt im von ATMEL entwickelten SiGe BiCMOS Prozess AT46000 Differentielles Design im RX- und TX-Pfad LNA, PA Driver, RX/TX Mixer und Filter, VCO auf dem Chip integriert, so dass nur wenige externe Bauelemente benötigt werden Aktuell verfügbar: Version 2 beider Varianten In der Entwicklung: Version 3 mit Unterstützung beider Frequenzbereiche sowie MIMO-Funktionalität mit je 2x TX und 2x RX May 08 3

4 Motivation der Diplomarbeit Bisherige Vorgehensweise: Berechnung der Leiterbahnenbreite sowie des Lagenaufbaus mit Hilfe des Programms Line Calculator Matching wurde messtechnisch mit Hilfe eines Network Analyzers nach Produktion der Platinen ermittelt Probleme: Einfluss der HF-Leitungen kann nicht im Vorhinein bestimmt werden manuelles Matching mit mehr als drei Bauteilen kaum möglich Manuelles Umrüsten aller Boards einer Prototypenserie ist zeitaufwändig thermische Belastung der PCBs durch häufiges Wechseln der Bauteile May 08 4

5 Ziele der Diplomarbeit Berücksichtigung der Einflüsse der Leiterbahnen sowie des Lagenaufbaus auf den Frequenzverlauf Einfluss von Bauteilgrößen (0201 in./0402 in.) Berücksichtigung von Koppeleffekten zwischen differentiellen HF-Leitungen möglichst genaue Berechnung der Leiterbahnen und Matching-Netzwerke im Vorhinein, so dass kein nachträgliches manuelles Umlöten der Bauteile erforderlich ist Entwicklung eines PCB-Modells für Chipdesigner May 08 5

6 Vorgehensweise Messung von S-Parametern: WiMAX Transceiver WTC V2 Teststrukturen WTC Testboard V2.01 Radio System Evaluation Board V2.0 Modellierung in ADS Teststrukturen WTC Testboard V2.01 Radio System Evaluation Board V2.01 Verifikation der Modelle anhand der gemessenen S- Parameter Anwendung auf Testboard V3.0 für WiMAX Transceiver WTC V3 Implementierung des Optimizers zur automatisierten Bestimmung der Matching-Komponenten May 08 6

7 Messaufbau Network Analyzer 2-Port NWA 30 khz - 6 GHz hier: 2 GHz - 4 GHz Kalibrierung mit Port- Extension Modifizierte Boards Verwendung von Semi-Rigid Kabeln, da sehr gute HF- Eigenschaften Messung direkt am Chip (Port Extension) Kurze Entfernung zur Massefläche May 08 7

8 Schematic-Simulation Simulation in ADS Schematic View Annäherung an reale Transmission Lines durch stückweise Aneinanderreihung einzelner Elemente einfache Einbindung realer Komponenten mittels Vendor-Libraries schnelle Simulation Optimizer verfügbar geringere Genauigkeit viele einzelne Elemente bei komplizierten Strukturen May 08 8

9 EM-Simulation (Momentum Momentum) Momentum exakte Nachbildung der realen Leiterbahnstrukturen realer Lagenaufbau vollständige EM-Simulation - inkl. Randeffekten - inkl. Kopplungseffekten lange Simulationsdauer keine Optimizerfunktion Vendor-Libraries nicht immer verfügbar May 08 9

10 Lösungsansatz Kombination von Layout und Schematic Nachbildung der Leiterbahnen im Layout mit einmaliger EM-Simulation Nutzung der Ergebnisse als Layout Lookalike -Item in Schematic View Einfügen realer Bauelemente im Schematic Einmalige EM-Simulation Automatische Optimierung May 08 10

11 Presentation (not the current page title) Diplomarbeit Title A. Homuth Messungen am WiMAX Transceiver V2 Modifizierte Testboards May 08 11

12 TX-Pfad: Vergleich Simulation und Messung Simulation Messung May 08 12

13 RX-Pfad: Vergleich Simulation und Messung Messung: rot Simulation: blau May 08 13

14 Teststrukturen 1. Teststruktur (oben) einzelne gerade Leiterbahn, keine Störeinflüsse durch Lötstellen keine Koppeleffekte zwischen Leitungen einfaches Modell 2. Teststruktur mit Bauteilen (unten) einfache Struktur mit gerader Leiterbahn wenige passive Bauteile kurze differentielle Leitung mit Koppeleffekt identische Struktur wie WTC Testboard May 08 14

15 Modellierung in ADS Vorgehensweise May 08 15

16 Vorgehensweise Layout Lookalike Simulation Messung May 08 16

17 Vergleich Simulation und Messung 1. Teststruktur Messung: blau Simulation: rot May 08 17

18 Vergleich Simulation und Messung 2. Teststruktur Messung Simulation Messung: blau Simulation: rot May 08 18

19 Radio System Evaluation Board V2.0 May 08 19

20 Blockdiagramm HF-Pfade Eval Board V2.0 May 08 20

21 Presentation (not the current page title) Diplomarbeit Title A. Homuth Modifizierte Platinen May 08 21

22 Modellierung in ADS (TX-Pfad) Modellierung in 2 Schritten: 1. Schritt: TX- Ausgang WTC bis PA-Eingang 2. Schritt: PA bis LPF-Eingang 2. Messpunkt Matching NW PA Matching NW 1. Messpunkt WTC May 08 22

23 Vergleich Simulation und Messung 1. Schritt: Simulation Messung May 08 23

24 Vergleich Simulation und Messung 2. Schritt: Simulation Messung May 08 24

25 Modellierung in ADS (RX-Pfad) 1. Messpunkt BPF HF-Schalter Matching NW WTC May 08 25

26 Vergleich Simulation und Messung Simulation Messung May 08 26

27 WTC Testboard V3 Identischer Aufbau der Matching Strukturen für RXund TX-Pfade Verwendung von 0201-Bauelementen Bestimmung des Aufbaus der Anpassungsstrukturen Bestimmung der Anpassungs-Komponenten May 08 27

28 WTC Testboard V3 3-Komponenten Matching Keine 50 Ohm Anpassung möglich Lösung: Matching mit fünf Komponenten May 08 28

29 WTC Testboard V3 5-Komponenten Matching Balun WTC May 08 29

30 Optimizer Manuelles Austauschen der Bauteile entfällt Netzwerke mit mehr als drei Komponenten möglich Zeitersparnis Durchlaufen von Listen realer Komponenten Descrete Optimizer prüft alle möglichen Kombinationen Zieldefinition: Realteil: 40 Ohm bis 60 Ohm Imaginärteil: -20 Ohm bis +20 Ohm May 08 30

31 RX-Pfad: 2,5 GHz WTC Testboard V3 5-Komponenten Matching RX-Pfad: 3,5 GHz TX-Pfad: 2,5 GHz TX-Pfad: 3,5 GHz May 08 31

32 Zusammenfassung Modulation vorhandener HF-Strukturen in ADS Verifikation der Modelle anhand von Messungen Anwendung auf neues Projekt WTC Testbord V3 Erstellung eines Simulationsmodells für Chip-Entwickler Kombination von Chip- und Leiterkartenentwicklung Kostenersparnis Platine mit ungeeignetem Matchingnetzwerk wurde nicht produziert Zeitersparnis in Evaluierungsphase Komponentenauswahl durch Optimizer May 08 32